具有生物光高敏精細分級結構的光電轉換材料研究

《具有生物光高敏精細分級結構的光電轉換材料研究》是依託上海交通大學，由鄧濤擔任項目負責人的重大研究計畫。

基本介紹

• 中文名：具有生物光高敏精細分級結構的光電轉換材料研究
• 項目類別：重大研究計畫
• 項目負責人：鄧濤
• 依託單位：上海交通大學

項目摘要

目前，低光電轉換效率是太陽能技術發展所面臨的關鍵問題之一。目前研究主要通過調節光電轉換材料的微納結構（如納米陣列、分級結構），來提高光電轉換效率。然而，截至目前效率依然不高，並且工藝複雜，難以大規模套用。反觀自然界中的某些生物結構（樹葉、昆蟲翅膀、硅藻等），經長期進化形成了精細、集成的分級結構，以實現高效率的光敏感特性。啟迪於此，本項目擬以典型的生物結構為模板，通過物理化學方法，保持其三維精細分級結構，並將成分轉化為具有光電轉換特性的無機材質，製備具有生物光高敏精細分級結構的光電轉換材料。研究基於不同生物模板的兩元、三元無機材質的轉換方法，總結生物結構在材質轉變過程中的調控規律，構築具有生物光高敏精細分級結構的光電轉換材料新技術原型，研究高光敏的生物結構、無機材質對光電轉換效率的耦合效應，為開發具有新型高光電轉換效率的太陽能器件提供理論依據和實用途徑。

結題摘要

太陽能作為一種清潔、持久的能源形式，其有效利用與儲存受到了人們極大的關注。目前利用太陽能的各類方法所面臨的主要問題都是套用過程中整體能量轉換效率不高。而從仿生的角度研究開發高效光電轉換體系也開始受到極大關注。自然界經過長期優勝劣汰形成了很多高效率的太陽光回響系統。因此，將自然界長期進化而形成的特殊生物結構與功能引入到光電轉換系統中，研究結構對提高材料光電轉換效率的作用，對推動太陽能利用效率的提高具有重要的意義。本項目團隊科學意義及創新之處不僅在於採用自然的天然生物模板如蝶翅等，同時在研究獲得的材料結構-性能耦合的基礎上提出人工仿生光電材料，並以此為基準，同時選取擁有等離激元光-電-熱效應的貴金屬納米材料進行仿生設計，以獲得超乎自然的優異光-電-熱轉換性能。本項目以生物模板最佳化、製備人工仿生光電材料，材料光電、光熱、光化學轉換性能等，以及轉換機制模型建立和模擬展開。從生物模板最佳化開始過渡到人工仿生材料製備，因為人工材料截取自然生物模板實際所需要的性能進行複製和擴展，那么人工仿生光電材料的性能將會優於自然生物模板。而仿生光電材料性能主要研究了其能量獲取，傳遞和轉換功能，涉及了光電、光熱、光化學轉換新材料的研究，並引入了具有等離激元效應的貴金屬納米材料實現能量轉換性能。突出成果有利用等離激元複合薄膜利用區域集熱效應實現高效蒸發，由此開展了大量光-電-熱能量轉換新材料基礎與套用研究。另外，由於開發光電器件的瓶頸不僅在於光吸收、光電轉換效率，同時還在於高集成度器件使用時，餘熱排除的問題。因此項目團隊以此為契機，創新地提出柔性熱管作為解決光電器件的散熱方案。目前項目團隊通過前期大量的實驗經驗的積累，數據歸納整合，提出新型光電轉換功能材料光吸收和光電轉換機制等物理模型和具體計算方法。大部分成果已經成文發表在國際高水平期刊上（Nature Energy, Advanced Materials, Small, ACS Applied Materials & Interfaces, Journal of Materials Chemistry, Nanoscale, Scientific Reports，Applied Thermal Engineering等）。